CN101343113A - 超微气泡装置及双循环超微气泡扩散系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在水体中产生超微小气泡的超微气泡装置以及双循环超微气泡扩散系统。该超微气泡装置包括一气管和一水管，气管上具有产生直径0.1mm量级及以下气泡的开口，水管的出水口位于气管上的开口附近，工作时，水从水管出口喷出，冲击气管的开口。本发明的双循环超微气泡扩散系统，包括铺设在水体底部的两组依次平行排列的管道网，分别产生1mm量级和0.1mm量级的气泡幕，两种直径不同气泡幕墙在水体形成各自循环，这样不平衡的双循环造成一个超微小气泡在水体中相对静止区域，这样，大幅度提高了氧在水中溶解的速度，达到节能的目的，大大降低投资和运行成本。可用于治理江河湖泊的富氮污染。

Description

超微气泡装置及双循环超微气泡扩散系统

技术领域

本发明涉及一种超微气泡装置及双循环超微气泡扩散系统。超微气泡装置通过以超微小气泡的方式向水体中充氧，来维持水体中生物链的生命活动，因而可以广泛用于多种工业污水处理及城市生活污水处理系统；而利用超微小气泡的气泡扩散系统更能使空气中的氧气有充分的时间和更大的接触面积与水体接触，从而高效地治理富氮污水，可更广泛应用于治理我国湖、池、水库、江河、近海等越来越严重的水体富氮污染。

背景技术

目前，在水中产生微小气泡的装置有多种构造，例如多微孔胶管。但这种曝气管只能产生平均直径为1-2mm以上的气泡，产生0.1mm量级气泡的概率很小，也就是说几乎不产生0.1mm量级以下的超微气泡。原因是：即便是胶管上有0.1mm大小的孔，假定开始它产生了0.1mm的气泡，可是气泡不走，由于表面张力不离开胶管，非得等到气泡涨大到浮力足以克服吸附力时才离开，此时，气泡已长大到至少1到几个毫米以上了。这个道理类似一根细管只能吹出大的肥皂泡。这就是迄今为止还没有出现能大量(几乎100％)产生超微小气泡装置的原因。因此，在水中产生小于1mm、甚至小于0.1mm的超微小气泡是十分困难的事。在相同体积的情况下，气泡越大，在水中与水的接触面积越小，在水体中停留时间愈短，因而对水充氧的能力就越低，治理污染的效果也就越差。

通常采用的气泡扩散系统是，在水底铺设一排能冒气泡的管道，这些管道都与一个主管道相连，主管道再与空气压缩机相连，由空气压缩机向管道中充入压缩空气，多个管道排列成管道网。管道由橡胶管或塑料管组成，管壁上有微孔，在最好的情况下能产生平均直径1-2mm左右的微小气泡，大量的上升气泡会在水体中产生像墙一样的气幕。

这样的气泡扩散系统最多产生的1mm量级小气泡，不够小，在水中的停留时间不够长，在水体中直线上升而迅速溢出水面而不足以起到对水充分充氧的作用。处理污染的效果仍然不理想。

另外，对于较大的污水处理厂或被称为爆气的装置，通常是采用产生10cm直径左右的气泡，在它壮观的气泡池的旁边，并排放着上百千瓦鼓风机许多台。在这种情况下，由于气泡大而与水的接触面积小，气泡溢出速度快，因此处理污染耗能高，充氧效率非常低。

发明内容

为了解决上述问题，本申请的发明人利用柏努利原理(即流速愈大，压强愈小)发明并试制成功了几种(见具体实施方式)产生超微小气泡(本发明定义直径小于0.1mm量级的气泡为超微小气泡)的超微气泡装置，该装置包括一气管和一水管，气管上有产生直径为0.1mm量级及以下气泡的开口，水管的出水口位于气管的开口附近，工作时，气管内充有压缩空气，水管接水泵，使得水从水管上的出水孔喷出，冲击气管的开口。

这种设计，克服了背景技术中提到的即使产生了小于0.1mm的气泡，由于表面张力也不离开胶管的问题。来自水泵的高压水从水管出口喷出，由柏努力原理产生的负压带动它旁边气管开口附近的空气移动，空气刚移出一点就被水冲走，整个水管一侧出口喷出的水中含有一个个的超微小气泡。这样，超微小气泡刚一形成就被强劲的水流一个个地带走，没有合并积累变大的机会，因此得到一个个超微小的气泡。

在上述装置的基础上本发明还提出一种双循环超微气泡扩散系统这一主体内容，以便把上述的超微小气泡高效地扩散到整个水体中。这个超微小气泡扩散系统包括铺设在水体底部的平行排列的常用管道网，该管道网每两个相邻的产生气泡的管道之间设置有本发明的超微气泡装置，所述常用管道网的管道产生的气泡直径大于所述超微气泡装置产生的气泡，从而造成强度不同的水体循环，两种不平衡的循环在水底造成微小气泡的相对静止区域。

进一步，所述多个超微气泡装置为设置在与所述常用管道平行的一系列超微气泡管道网上。

进一步，常用管道网和超微气泡管道网分别与各自的管道干线相连，常用管道网的干线连接有空气压缩机，超微气泡管道网的干线与空气压缩机和水泵相连。

进一步，所述常用管道网的管道产生直径为1mm量级的气泡幕，与它相邻的超微气泡装置产生直径0.1mm量级或以下的超微小气泡幕。发明这个能产生0.1mm超微气泡装置的目的除了上述增大气泡的充氧效果外，主要目的是为了造就如下所述的“双循环”。

下面参考附图1和图6-8，说明本发明双循环超微气泡扩散系统的工作原理。本专利双循环的核心目的之一是要在B管道上方造成一个超微小气泡相对静止在水中的区域。

为了对此说明，下面用几个假定来说明这个超微小气泡静止区域是如何形成的。

第一，假定仅A管道工作(B管道不工作)。这时A管道网在水中造成O型环流如图1所示。

第二，假定仅B管道工作(A管道不工作)。这时B管道在水中造成的环流如图6所示。

仔细观察图1和图6，会发现A管、B管造成的水体流动方向总是相反。这是如下所述造成气泡相对静区的基础原因。

第三，假定A、B管道同时工作，但是假定B管道改换成A管道一样规格，这时A、B管道在水中造成的环流如7所示，从图中看出互相流向相反的水流由于AB管规格一样而形成新的O型环流，B、A上方水流在气泡带动下各自形成自己的o型循环。

现在，第三个假定停止：把B管道换成本专利产生超微小气泡的超微气泡装置，(B管道仅能产生超微小气泡)，这时环流就大变样了，如图8所示：在B管道上方，由于本专利中B组管产生的气泡十分微小气泡上升得十分缓慢，本应造成十分缓慢上升的水体流动。但是，这个十分缓慢向上的水体流动却和由A环流在它上方下降时造成的水体流动相遇，方向相反的两个环流作用在这一区域上，力量互相抵消，从而在B上方造成超微小气泡相对静止的区域。

在这个区域内，超微小气泡让水体企图上升，A环流的上部边远部分下降水体企图让该水体下降，结果在这一区域超小微气泡不上升也不下降(实际上，仔细观察是特别缓慢地上升)。换句话说超微小气泡能有很长时间停留在这个区域(这就是相对静止的含义)，从而大大地增加了往水中充氧的能力。

这样综合考虑，本专利在水体中造成两种环流：

一是ro循环(见图1)，它由能产生1mm量级气泡的管道A驱动气泡带动水体上升，然后再分向两侧并下降(呈r形)，最后转了一圈，形成水体流动呈o形的循环，最后又回到管道A处(如图1中的箭头方向所示)。这样造成宏观水体循环，本专利下面形象地把它称为ro循环。

二是ri循环(见图8)，它由能产生0.1mm量级气泡的管道B来驱动，在B管上方相对静止区内，水体特别缓慢地从B管开始沿r型向上升再流向两侧，由于上升力量弱，受到A管在这个区域向下的环流压制后就趋于静止，本专利把这个相对静止的区域用“i”来表示，下面可把B管上方本专利发明的缓慢循环命名为ri循环。

这样ri循环产生能在水体中长时间停留的超微小气泡，ro循环通过宏观上升的气幕带动水体O型运动把超微小气泡带到水体的各个角落，每一部分水体在ro带动下循环许多次，从而把空气中的氧扩散到整个水体中。

下面把这种ro循环和ri循环所组成的双循环简称rori气泡双循环系统。

这种循环有相邻重叠的区域，重叠区域的紊流把ri静止区域边际的超微小气泡带进ro循环。这样类似房间灰尘的扩散，最后把超微小气泡带到所覆盖水体的各个角落。

为了获得充氧的最大效果，B管也可以并排放二组或多组。

上述的双循环超微气泡扩散系统，一方面超微小气泡增大了氧与水的接触面积，另一方面，由于两个气泡循环系统，造成超微型气泡的相对静止区，让气泡长时间呆在水里，在这个区域里，拿0.1mm直径的气泡来说，气泡和水体接触的时间比一般直径1mm气泡在单循环情况下的寿命长了100倍以上。因此，大幅度提高了氧在水中溶解的效率和速度，同时，也达到了节能的目的，特别是治理大的江河湖泊污染时，可以大大降低投资和运行的成本。

附图说明

图1是单一规格的常用A管微气泡扩散系统的环流原理图；

图2是本发明超微气泡装置的第一个实施例的剖面图；

图3是本发明超微气泡装置的第二个实施例的剖面图；

图4是本发明超微气泡装置的第三个实施例的剖面图；

图5是本发明超微气泡装置的第四个实施例的剖面图；

图6是只具有本发明B管道超微气泡装置单独工作时的环流原理图；

图7是本发明双循环超微气泡扩散系统把B管道换成A管道后，A、B管道网的环流原理图；

图8是形成超微气泡相对静止区域的本发明双循环超微气泡扩散系统原理图；

图9是本发明双循环超微气泡扩散系统配置图。

具体实施方式

下面结合附图，描述本发明的优选实施例。首先，图2-5是本发明超微气泡装置的四个实施例的剖面图。如图2中超微气泡装置，1为水管，2为气管。中心的细管1接水泵，外径约0.6mm，外围的气管2接空气源，内径约0.8mm。来自水泵的高压水从内管管头处喷出，由柏努力原理产生的负压带动它旁边的空气移动，整个管口喷出的水中含有一个个的超微小气泡，刚一形成就被强劲的水流带走，没有合并积累变大的机会。因此得到一个个超微小的气泡。

气泡进入水中后，随着水流宏观运动向前移动，气泡越小，在水中自然上升的速度愈慢，(这个道理类似灰尘因为小在空气下降得很慢一样，)所以几乎看不出水泡在上升。良好的设计应当使气泡彼此不发生碰撞合并(成大气泡)。

该实施例中的水管1和气管2倒换一下，即1接气泵，2接水泵，也起到同样的作用。图3的超微气泡装置中的水管1位于气管2的一侧，出水口位于气管开口的附近。

上述几种设置的超微气泡装置做成组件，组合成压合在B管道上，形成的B管道上装有大量的这样的组件。

图4和图5是本发明超微气泡装置的另两种装置。图4是气管2上开有气泡开口，水管1设置在气泡开口附近，水从水管出口喷出，冲击气泡开口产生的超微小气泡。图5中的气管2和水管1都是常用的较粗的管道，它们上面分别切出两个气泡开口4和两个出水口3，每个出水口分别位于对应的气泡开口附近，来冲击每个气泡开口产生的超微小气泡。这样，可以在常用的管道上，并排切出一系列这样的开口，气泡开口和水管出水口的尺寸约为0.1mm。图5所示的超微小气泡产生装置便于大量生产，因此在本专利其他处中作为多种超微气泡产生装置的代表来叙述。

基于上述的超微气泡装置，本发明的双循环超微气泡扩散系统设置如下，参见图9：它包括能产生小气泡的管道网A和带有本发明的超微小气泡装置的管道网B。图中A管道网(A1、A2、A3......)内充入压缩空气，该管道由橡胶管或塑料管组成，管壁上每隔10mm-20mm左右有一个狭缝切孔，能产生平均直径1-2mm左右的微小气泡，大量的上升气泡会在水体中产生像墙一样的气幕。

B管道网(B1、B2、B3......)为由本发明产生超微小气泡的超微气泡装置组成，也称为微气泡管道网，B管道网中的每个分支管道实际上由实施例图2-图5中所述的结构组成，包括两根管道，一根接水泵，另一根接空气压缩机，它能产生直径为0.1mm量级及其以下的超微小气泡。在沿着每个B管道的长度方向上，设置有多个本发明超微气泡装置，它们可以是成组件安装在B管道上，也可以是在B管道上设置的一系列如图5所示的切口

两组管道组装成平行的管道网系统，放在水表面以下，接近水的底部，通过管道干线和固定装置把系统装置连接起来，A管道网和岸上的空气压缩机5连结；B管道网除和另外的空气压缩连结外，其中的水管还要和水泵6连结。彼此平行的管道和水表面等距。管道可以很长，但要保证管道内压缩空气的压力差和高压水的压差相当小，以保证管道各部分产生的气泡基本一致。管道开始工作后，A、B二组管道开始产生大量气泡。大量气泡上升在水中产生空气幕带动它上方水体向上运动。这样，如发明内容所述的工作原理，B组超微小气泡在水体中形成一定的相对静止区域，而A组宏观上升的气泡幕带动水体循环运动把超微小气泡带到水体的各个角落，从而把空气中的氧高效地扩散到整个水体中。

氧在水中溶解不是像汽水里的CO2那么容易(CO2形成碳酸，易和水混合)。氧比较难以溶解在水中，只能靠在气泡表面氧气和水表面接触时缓慢的分子扩散“溶”进去。本专利正是采用了超微小气泡装置的B管道的双循环超微气泡扩散系统，大幅度提高了氧溶解的效率和速度，可以从以下两个方面得到体现：

第一：由于本发明产生超微小气泡的B管装置能产生直径在0.1mm量级及以下的超微小气泡。这种超微小气泡难得可贵，从下表看出，气泡小了，同样体积下的气泡表面积成倍的增加：如果把直径为1cm气泡面积当作基础面积单位，那么直径为0.1mm气泡表面积在同体积下是直径1cm气泡表面积的100倍；而直径约为0.01mm的气泡表面积是直径1cm气泡的1000倍。具体数值可参见下面的表1

表1

第二：从气泡扩散原理来看，由于利用图8所示Rori气泡双循环系统，造成超微型气泡的相对静止区，让气泡长时间呆在水里，在这个区域里，拿0.1mm直径的气泡来说，气泡和水体接触的时间比一般直径1mm气泡寿命长了100倍。

综合上述这两种方面因素，由于本专利气泡直径小了近100倍，充氧面积大了近100倍，同时，在水中停留时间又增长了近100-1000倍，考虑到这两方面的因素，本专利单位体积空气给水的充氧能力比以往一般情况下的充氧能力大大提高了，增大了治理富氮污水充氧的效果；另一方面是节能，在使用一定的能源(水泵和空压机)的情况下，提高了充氧的效率，因此，也达到了节能的目的，特别是治理较大的江河湖泊污染时，使投资和运行成本得以大大降低。

以下为本发明的双循环超微气泡扩散系统的应用实例

应用例一：原地治理湖、池、水库、江河的富氮污染。

利用本发明的双循环超微气泡扩散系统往水体中充分充氧，就能把水体中含氧量高效迅速地升上去。

水体中有了氧，大自然的生态平衡迅速恢复到良好的天然状态：富氮污染水体中由缺氧引起发臭的厌氧菌迅速死亡，取而代之的是好氧菌(也叫嗜氧菌或嗜氧微生物、好氧微生物)，并且由于水体氮磷、有机物含量高而营养丰富，好氧微生物便开始大量繁殖。好氧微生物能把氮转化为氨，然后转化为亚硝酸根，最后转化为硝酸根(NO₃ ^-)，把磷转化成PO₄ ^-。这就是氮磷在以它为食物的好氧菌作用下生化好氧分解过程。

同时以微生物和有机物为食物的线虫、泥虫、纤毛虫、轮虫和其他浮游生物开始大量繁殖。

再以后，下一个食物链如蟹、小龙虾、虾、鲢鱼和其他各种鱼类开始大量生长。

同时以水藻为食物的水蚤和一些吃水藻的鱼类(如鲦鱼)开始大量繁殖，藻类是鱼类食物链的基础之一。

同时水体中良好的水草开始大量生长，吃水草的鱼类(如草鱼、鳊鱼等)开始大量生长。

靠这样的生物链复活，富氮污染的氮、磷、有机物最终转化为鱼、虾、蟹。

这就是利用本专利作为手段在水体中恢复大自然的生态平衡来治理富氮污染水体的过程。

在温暖的季节，在湖、水库中约需等1个月，建立良好生态平衡后水质就会愈来愈好，生物需氧量BOD(即Biology Oxygen Demands)会逐步降下来，只要长时间用心，经过本发明处理后的水优于污水处理厂的水质。治理过程中，装置简单，耗电量十分小。这样现场就地治理同样体积的污水，投资运行大幅度减少。

应用例二：消除水库中水的异味。

先建立2个蓄水池串联，各在池中先用本发明的双循环超微气泡扩散系统长时间循环充氧数天，获得近饱和氧溶解度，只要消除了氮磷和其他有机物，异味就消除了。消除异味后的水可送到水厂作水源。这个办法明显比在水中加化学药品或充氯气等方法好。至少，可以少加。

应用例三：在冬季清除水面上的冰层。

在北方，冬季湖面上和水库中有厚厚一层冰，时间约有四个月。冰层完全隔绝了氧气，使水体恶化、水生动植物死亡的盲区，它大大限制了冰下水产动物的数量。消除冰层对于次年春季水体复活、水产动植物大量生存十分有益，对于水体增氧也有明显的效果。

办法是用一组A、B管道网沿和西北风垂直方向拉一长线，不用大面积摆放本发明的双循环超微气泡扩散系统，几个组管就能起作用，管道放入水库中较深的水下(不可接触水底)。

管道通气后大量气泡上升，带动水底温度较高的水向上流向冰层，造成在它上方的浮冰局部融化。融化后，从空中看去冰层有宽约1-3米的一条线变成了水。冬季大风多，冰面上风更大。此时，如果有在西北季风在劲吹，就会把已形成的几米宽的水面逐步吹宽：水面上吹起小波纹(还不是波浪)，小波纹带动水面流向风前方，不断冲化它前面的冰。最后，在冰面上就会逐步拉开愈来愈长的无冰区，长达几公里。无冰区一旦形成，在有风天就不会再结冰。直到多天不刮风的天气出现时才会重新结冰。但是遇到结冰时，可新重启动本发明的双循环超微气泡扩散系统，待下次起风时再把冰面吹开。水面愈大，清除冰层愈容易。用这种办法只是清除主体水域的冰，这对水中的鱼虾等生物已足够了。

这种清除冰层的方法主要靠的是风能，本发明双循环超微气泡扩散系统只是起启动作用，清除冰的面积看风力大小和持续时间，与天气寒冷的程度关系不大。这就是说，在最冷的三九天用这种办法也能清除冰层。在北京，用这样方法可清除近一尺厚的冰层。在大水库上约可清除60％面积，清除时间覆盖率约80％。对于小池效果不太好。

应用例四：用本发明的双循环超微气泡扩散系统建立高效低成本的污水处理厂建立几个像游泳池大小的池，分别安装本发明的双循环超微气泡扩散系统，将水池串联起来，水体在三个池中各循环10天左右，前两个池用本发明清除氮磷有机物和污泥，出水口在池中部，最后一个池还应消除有机硝酸盐、磷酸盐、残留微生物和悬浮固体物。从而达到高标准的水处理。

经过处理后的水看上去像天然的河流一般。

Claims (10)

1、一种超微气泡装置，其特征在于，包括一气管和一水管，气管上具有产生直径0.1mm量级及以下的气泡开口，水管的出水口位于气管上的开口附近，工作时，气管内充有压缩空气，水管接水泵，使得水从水管喷出，冲击气管的开口。

2、根据权利要求1所述的超微气泡装置，其特征在于：所述水管的出水口位于气管内，其喷出水的方向与气管开口出气的方向一致。

3、根据权利要求1所述的超微气泡装置，其特征在于：所述气管的开口位于水管内，水管喷出水的方向与气管开口出气的方向一致。

4、根据权利要求1所述的超微气泡装置，其特征在于：所述水管位于气管的一侧，水管的出水口位于气管的开口附近。

5、根据权利要求1所述的超微气泡装置，其特征在于：所述水管和/或气管为常用的粗管道，水管的出水口和/或气管的开口是设置在所述气管和水管上的切口。

6、根据权利要求5所述的超微气泡装置，其特征在于：所述水管和气管的一个横截面上分别设有两个切口，在沿水管和气管的长度方向上，可设置一个以上这样的一组切口。

7、一种双循环超微气泡扩散系统，其特征在于：包括铺设在水体底部的平行排列的常用管道网，该管道网每两个相邻的产生气泡的管道之间设置有权利要求1-5中任意一项所述的超微气泡装置，所述超微气泡装置产生的气泡直径小于所述常用管道网的管道产生的气泡，从而造成强度不同的水体循环，两种不平衡的循环在水底造成超微小气泡的相对静止区域。

8、根据权利要求7所述的双循环超微气泡扩散系统，其特征在于：所述多个超微气泡装置为设置在与所述常用管道平行的一系列超微气泡管道网上。

9、根据权利要求8所述的双循环超微气泡扩散系统，其特征在于：所述常用管道网和超微气泡管道网分别与各自的管道干线相连，常用管道网的干线连接有空气压缩机，超微气泡管道网的干线与空气压缩机和水泵相连。

10、根据权利要求9所述的双循环超微气泡扩散系统，其特征在于：所述常用管道网的管道切口上产生的气泡直径为1mm量级。

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